VR技术视域下高职虚拟混合学习系统类型与应用研究

赵俞凌 陈晓龙 姚 远

一、虚拟现实技术在高职教学中的应用现状

“虚拟现实”作为学术术语早在20世纪60年代就有研究者提出，20世纪80年代虚拟现实技术（Virtual Reality）已经运用在娱乐、教育等多个领域[1]。大量的实践和研究表明，由于VR技术具有沉浸性、交互性和想象性的特点，其在教育领域特别是职业教育领域使用前景十分广泛。职业技能培养多半是基于实践性教学开展的，但是传统职业技能教学中由于课时、场地、经济、技术和硬件性能较弱等多方面因素的限制，学习者无法根据自己的实际情况获取相对应的感知训练。VR技术在各领域都能够为学习者提供虚拟的仿真环境和材料。集成了5G快速传输、大数据、云计算的VR教学平台可以收集学习者在学习过程中相关的数据，通过云计算处理，为每一位学习者制订个性化的学习策略，实现精准教学。

虚拟现实技术在我国高职院校教学中的应用，主要集中在计算机、建筑、工业等相关专业。宿迁经贸高等职业技术学校在《计算机组装》课程中利用虚拟现实技术，让学生与虚拟对象交互，学习计算机的硬件知识，学生学习兴趣获得极大提高。江西建设职业技术学院利用虚拟现实技术开展《建筑构造》课程教学，帮助学生理解枯燥的构造原理[2]。宁夏工商职业技术学院化工工程系尝试使用虚拟现实技术开展化工认知实训，达到了预期的实训目的[3]。金华职业技术学院自动化专业、护理专业在资源库开发过程中，运用VR技术进行啤酒生产线操作环境的仿真模拟、虚拟手术与护理教学案例的开发[4]。袁南辉将VR技术应用在“教育声电系统”的课堂教学中，解决了传统教学中难以用语言和绘图表达清楚的抽象、工程、经验等方面知识的教学问题[5]。金纯将VR技术应用于农林类专业课程教学中，有效克服了时间、季节对教学的影响，控制成本资源。黄新平将VR技术应用于医学职业教育教学中，降低了教学的难度[6]。梅婷将VR技术应用于工科实训课程中，提高了效率，减少了投资成本[7]。值得一提的是，2017年全国职业院校技能大赛开设了虚拟现实（VR）设计与制作赛项，促进了VR技术在高职院校职业技能培养上的推广应用。

二、基于虚拟现实技术的虚拟学习系统主要类型及存在问题

根据不同的硬件支持和展示效果，虚拟学习系统主要可以分为四类：桌面虚拟现实、沉浸的虚拟现实、增强现实的虚拟现实和分布式虚拟现实[8]。

桌面虚拟现实技术利用计算机进行仿真，将屏幕作为使用者观察虚拟世界的窗口，通过键盘、鼠标等常见的输入设备实现与虚拟现实世界的交互。使用者通过输入设备，在屏幕上360°观察虚拟世界，并操纵其中的虚拟对象。但是桌面虚拟现实缺少完全的沉浸，会受到周围世界的干扰，且交互方式并非是自然的交互。在经费、资源、开发团队等资源有限的情况下，桌面虚拟现实是可行性较高的选择。桌面型虚拟现实技术在实践教学中主要有演示实践、实操实践和复习回顾三种应用方式。现有的虚拟现实教学软件可以实现放大、缩小、特写、慢动作等功能，从而为学习者提供全面的展示效果，便于学生观察。在实操实践中，学习者可以在虚拟现实软件中进行实践，并得到实时的反馈信息，能够有效帮助学习者掌握入门技能。

沉浸的虚拟现实能够提供完全沉浸的体验，通过输入设备实现较为自然的交互，使用户产生身临其境的感受。沉浸的虚拟现实同样由软硬件构成。相比桌面虚拟现实，沉浸虚拟现实对于硬件性能的要求更高，对于虚拟资源的要求也更高。沉浸的虚拟现实技术能够实现对于危险场景的模拟，使用者用自然的交互方式实现虚拟的技能操作，从而培养使用者的职业技能。增强现实的虚拟显示技术，可以将抽象、平面的知识鲜活地展示在学习者面前，帮助学习者认识更为真实的世界。

分布式虚拟现实技术是指多个使用者通过计算机网络连接在同一个虚拟空间，与该空间里的虚拟对象进行交互，以达到协同工作的目标。分布式虚拟现实是虚拟现实技术更高境界的使用，通过分布式虚拟现实技术，可以实现虚拟的小组合作，开展新形态的合作学习。在分布式虚拟现实技术的支持下，学习者可以开展合作学习，学习不再是闭门造车，而是与其他同学甚至是其他院校的学习者一起开展各种充满想象力的创造，能够有效培养学习者的创新精神。

在现有的虚拟现实技术教育应用中，桌面虚拟现实技术的应用最为广泛；沉浸的虚拟现实技术在维持较低的硬件投入基础上提供了较好的沉浸体验；增强现实的虚拟现实技术对于硬件要求较低，但是应用面较窄；分布式虚拟现实技术尚未在教育领域普及。目前，虚拟现实技术在职业教育中的应用以零散的场景体验式、教学资源开发和使用为主，对于何种教学内容更加适用技术开发和呈现，资源的使用需要配备何种设施，基于虚拟技术的教育教学应当配合怎么样的教学方法与系统建设等方面缺乏深度思考。基于虚拟现实的学习模式和学习系统已经在高职院校开展，但基于现阶段虚拟现实技术资源和内容管理平台和虚拟现实开发软件发展还不完善，很多技术问题都未能得到解决，相关的设备市场也没有得到完善，大多都采用单一模式进行教学。

三、基于虚拟现实技术的高职虚拟混合学习系统的构建策略

随着5G技术进入到商业化阶段，5G通信技术的高速传输和低延迟性能将实现VR大容量图像内容的三维建模和线上PC端和移动手机端的情景实时呈现。因此，本文提出一种线上PC端、移动手机端和线下的三合一混合学习模式，设计一种虚拟现实内容创作软件独有的异地多人协同模块，能够支持局域网内近百人、广域网内超过30人的协同教学。通过该模块，能够实现大规模VR教学、不同校区之间的集体授课以及跨学校的专业交流与跨学校的慕课教学。

（一）教学方面

高职院校要引导教师使用交互性、实时性强的VR技术创设沉浸式的教学情境，提高教学的体验感和有效性，同时要注意引导VR技术和传统手段的有效融合。职业教育管理层应重视对VR基础设施的投入与建设，如高配置的机房、VR专用的硬件设备与软件等，为教师将VR技术应用于职业技能培训搭建良好的实验实训平台，使后续的资源开发、学生实训成为可能。

基于VR技术的教学资源使用更加注重学习者的自主学习能力，而职业院校学习者自主学习和探究能力普遍不足。职业院校应当统筹管理原有的信息资源，将其储存到学校系统数据中。通过召开研讨会、参观考察等方式建立线下交流平台，推广VR教学优秀案例，方便更多职业院校获取经验。

通过课前、课中、课后不同环节，推进VR资源在预习、课内学习、复习等环节的使用，提高资源的利用率。可以根据实际需要购买专业公司开发的VR资源或自主开发资源，推进资源开发标准和规范的形成。积极引入职业院校技能大赛资源、企业优秀的VR案例资源，进行赛教融合、校企融合教学化改造。

组建由编程人员、媒体制作人员、职业教育专家、职业院校学科教师组成的多元化VR专业团队，共同解决VR资源在设计和开发过程中遇到的问题，探索VR技术在实际教学中的应用。其中，编程人员和媒体制作人员共同负责VR教学资源的开发与基础设施的建设；职业教育专家负责对教育资源的选择、实用性评估、开发标准制定等方面进行指导；学科教师负责对本学科的教育资源进行梳理、选择与应用；企业工程师根据VR项目制作任务和主流技术，逐层确立职业技能，分析职业技能所关联的“技能要求”和“知识要求”，协助学科教师，从教学规范、学生认知规律角度，共建“美化、交互、特效和高效”技术教学资源。各个模块由擅长的教师进行交叉授课，实现多元汇聚、共建共享，提升课堂教学质量。

（二）技术方面

通过充分整合VR虚拟现实场景生成技术、基于图形和图像的混合智能建模技术等构建满足学生需求的虚拟学习系统。利用缓存卸载技术将热点数据文件缓存在边缘计算节点处，可以大幅度减少骨干网络对于热点视频的重复冗余传输，并降低传输时延。计算卸载技术可用于弥补移动设备计算能力的不足。在计算卸载中，计算资源有限的移动节点通过将计算任务卸载到附近具有空闲计算能力边缘计算节点中，实现数据的高效处理。如图1所示移动边缘计算，通过将部分计算服务从云计算中心分发到网络边缘，在网络边缘实现任务的高速计算、资源的协同管理以及分布式存储/缓存等功能，而不再是通过主干网来传输庞大的数据流量，以此大幅度降低本地信息的处理时延。该平台为实现用户流畅观看VR视频提供了技术支持，满足了学习者随时随地通过移动终端访问虚拟学习系统，进行线上线下混合学习的愿望。

作为实施基础的模拟系统平台，适应性测试可以从四个方面着手。一是标准化和开放性。制作专业的屏幕规范和技术规范标准，选择符合国际标准的主流产品。二是灵活性和兼容性。系统要具有很好的兼容性，适合三维数字城市数据的多功能应用。三是可管理性和自动化能力。系统设计要考虑集中式以及自动化管理能力，即通过网络来对系统进行管理，同时提供丰富的管理手段，降低人工和管理成本，使系统维护管理方便。四是易用性。系统需要提供良好的操作界面，方便师生操作，符合编程人员制作习惯。

图1 移动边缘计算网络模型图

（三）具体建设内容

1.虚拟现实内容管理系统平台

随着虚拟现实技术的蓬勃发展，VR技术的受关注程度日益凸显，内容质量良莠不齐严重影响了用户在使用VR产品过程中的用户体验。建设一个内容管理系统平台，旨在为用户提供具有内容分发、共享以及管理等功能于一体的服务，设计出面向行业用户的虚拟现实行业内容发行平台，联合行业内容开发团队与行业内容使用者，比如高校、职业院校等教育用户，让他们有优质、专业的 VR 内容可用。

2.与行业企业联合开发虚拟现实内容创作软件

场景资源严重匮乏、场景开发难度大等问题，严重阻碍了VR技术的推广与内容的丰富。构建面向全行业用户的便捷实用的平台软件成为亟待解决的问题。因此必须联合行业企业龙头联合开发一套虚拟现实内容创作软件，能够帮助非开发人员进行高效的行业内容开发及应用，并且提供教学考练、异地多人协同、交互逻辑编辑等功能，解决用户在高风险、高成本、不可逆、不可及、异地多人等场景下的教学培训、模拟训练、营销展示等问题。软件产品必须具有易学易用、快速搭建场景、图形化交互编辑器、丰富的创作资源预设、多样化学习途径、多种模型数据导入、适配主流VR硬件，无需额外开发、支持5DT数据手套与气味硬件，让用户能够用真实场景中的常用操作习惯更加自由地与虚拟场景进行交互，不受硬件限制；气味硬件能够根据不同的场景散发相应的气味，从味觉上刺激用户，增强虚拟现实的沉浸感。

3.VR协同硬件组成

通过整合操作手柄和头戴式设备的360°精确追踪技术，提供超逼真3D画质、立体声音效，完成授课教学、内容展示、实践操作和技能训练。产品结合虚拟现实内容创作软件平台创新性地实现了基于广域互联网的异地多人协同，打破了制约VR教学应用发展的空间及人数限制。利用VR协同交互课桌小组协同沉浸式虚拟现实教学终端，用户可实现多人在同一空间内的交互协同，打破传统教学模式。异地多人协同还可以应用于远程教学及培训、异地间的协同实验等方向。以虚拟现实小组教学为标准，针对性设计的强大功能分区与存储空间，可满足各类相关设备存储、安放以及各种造型设计，完美搭配各类场地。可升级的显示屏设计，可一键切换使用模式，方便日常多功能使用需求。

4.利用5G网络移动边缘计算实现沉浸式VR编辑、异地多人协同。

VR技术的发展和应用已经越来越成熟，其发展目前遇到技术瓶颈，由于VR内容的渲染需要高性能的图形处理设备支撑，其终端设备笨重且价格昂贵，而5G的出现有可能帮助VR技术突破瓶颈，实现质的飞跃。5G的出现将会带动云渲染技术的发展，通过集中渲染，将VR内容通过5G网络传送至各个体验终端，终端的设备将只需要实现显示功能，设备会变得小而轻巧。移动边缘计算是5G网络采用的新技术。它通过将部分计算服务从云计算中心分发到网络边缘，在网络边缘实现任务的高速计算、资源的协同管理以及分布式存储/缓存等功能，而不再是通过主干网来传输庞大的数据流量，以此大幅度降低本地信息的处理时延。